Comprendere i confini dei materiali di tenuta non-elastomerici

Il vero confine nell’ingegneria delle tenute è in effetti il ​​confine dei meccanismi di tenuta. La forza di tenuta iniziale delle guarnizioni elastomeriche dipende principalmente dal recupero elastico dopo la compressione e la pressione media aumenterà ulteriormente lo stress da contatto. Se il compression set diventa eccessivo e il materiale perde la sua memoria elastica, la tenuta fallirà. Al contrario, i polimeri tecnici come PTFE, UHMWPE e PEEK hanno un recupero elastico fondamentalmente basso e il PTFE in particolare mostra un notevole scorrimento a freddo o scorrimento viscoso. Quindi questi materiali non funzionano "ritornando indietro come la gomma", ma su design geometrico, precarico, attivazione della pressione, molle o eccitazione dell'O-ring per le prestazioni di tenuta. Ciò definisce il confine principale dei materiali di tenuta non-elastomerici: la domanda chiave non è quanto sia resistente il materiale, ma quale ruolo svolge nel sistema - se fornisce compensazione elastica o se fornisce funzioni come basso attrito, resistenza all'usura, resistenza chimica, resistenza all'estrusione o-portanza. Il primo è negli elastomeri e il secondo è il motivo per cui i tecnopolimeri trovano la loro strada nelle applicazioni di tenuta.

1. PTFE Il PTFE non deve essere considerato semplicemente come una "plastica di fascia alta-", ma come una sostanza che supera contemporaneamente tre importanti limiti: resistenza chimica, resistenza alla temperatura e basso attrito. Gli studi AGC mostrano che ha un intervallo di temperatura di servizio normale compreso tra -180 gradi e +260 gradi ed è chimicamente inerte praticamente verso tutti i fluidi. Secondo i dati Parker, il coefficiente di attrito radente a secco del PTFE sull'acciaio è di circa 0,10, che è molto inferiore a quello dell'UHMWPE (~0,25) e del PEEK vergine (~0,35). Ciò significa che il PTFE sposta efficacemente il limite massimo delle prestazioni delle guarnizioni a base elastomerica-in situazioni dinamiche ad alta temperatura, altamente corrosive e a basso attrito.

Ma i suoi difetti sono altrettanto significativi. Parker afferma che il PTFE vergine presenta una notevole deformazione viscosa a temperatura ambiente con un carico costante e sostanzialmente non presenta alcun recupero elastico. L'attrito è molto basso ma la resistenza all'usura è piuttosto scarsa. Non è quindi corretto considerare il PTFE come una gomma per alte temperature o come un equivalente duro degli O-ring elastomerici. Un tipico errore ingegneristico è quello di confondere la riduzione dell’attrito con la capacità di fornire una tenuta elastica stabile. Pertanto il PTFE viene raramente utilizzato da solo nelle applicazioni reali. Un modo è cambiare il riempitivo utilizzando materiali come fibra di vetro, fibra di carbonio, grafite o bronzo per migliorare la resistenza al creep, all'usura, alla compressione e alla capacità anti-estrusione. Un metodo diverso è l'impiego di strutture di tenuta energizzate come le guarnizioni-energizzate a molla o i design energizzati-elastomeri, in cui molle o O{11}}ring compensano il contatto a bassa-pressione e la deformazione a lungo-termine.

Da un punto di vista ingegneristico, il PTFE dovrebbe essere considerato come un materiale che supera i limiti di compatibilità dei fluidi, temperatura e attrito, e non come un materiale che fornisce compensazione geometrica o elastica. È più adatto a situazioni di alta temperatura, esposizione chimica aggressiva o movimento dinamico con poco attrito. Tuttavia, non è l’opzione migliore se il requisito principale è la conformità alla deformazione elevata o il recupero elastico a lungo termine.

2. UHMW-PE
L'UHMWPE rappresenta un confine materiale completamente distinto rispetto al PTFE. Ad esempio, Ensinger PE1000 ha una resilienza molto elevata, una buona resistenza all'usura e all'abrasione, un potente comportamento all'usura per scorrimento e prestazioni superiori alle basse temperature. I parametri tipici sono un modulo di trazione di circa 700 MPa, un carico di snervamento di circa 19 MPa e una temperatura di servizio compresa tra -260 gradi e +80 gradi.

Non è nella sua natura materiale una plastica resistente alle alte temperature ma un polimero tecnico resistente all'usura e agli urti. Parker afferma che "L'UHMWPE è uno dei materiali più tenaci e resistenti all'usura, ma ha una resistenza chimica e alla temperatura più limitata rispetto al PTFE ed è più adatto ad applicazioni a scorrimento alternativo o molto lento con un coefficiente di attrito più elevato rispetto al PTFE. L'offerta principale di UHMWPE di Trelleborg è un materiale per anelli di guida e anelli di usura nei cilindri idraulici, dove assorbe i carichi laterali, guida pistoni o aste ed elimina il contatto metallo-con-metallo.

In altre parole, l'UHMWPE è progettato per resistere all'usura, alla guida, alla tenacità alle basse temperature e al movimento di scorrimento lento, non per competere con il PTFE in ambienti ad alta temperatura o chimicamente difficili. L'UHMWPE è spesso considerato un sostituto economico del PTFE, ma i loro ruoli sono in realtà fondamentalmente diversi. Il PTFE è progettato per un'estrema resistenza chimica, alte temperature e attrito ultra-basso, mentre l'UHMWPE è progettato per resistenza all'usura, resistenza agli urti e tenacità alle basse temperature.

3. PEEK Il PEEK è un materiale più strutturale nei sistemi di tenuta. I dati Victrex affermano che il PEEK ha capacità alle alte temperature, ampia resistenza chimica, elevata resistenza meccanica, eccezionale stabilità dimensionale, resistenza all'idrolisi e resistenza all'usura. Il tipico grado 450G, ad esempio, ha un modulo di trazione di circa 4,0 GPa, una resistenza alla trazione di circa 98 MPa e temperature di servizio continuo fino a 260 gradi.

Il PEEK non è sicuramente un materiale di tenuta a contatto morbido-, ma un polimero strutturale ad alto modulo. Viene utilizzato principalmente in applicazioni di tenuta come anelli di supporto-, dispositivi anti-estrusione, elementi guida e componenti strutturali portanti. Per le applicazioni di guida e usura, Trelleborg classifica il PEEK come tecnopolimero ad alto modulo. Gli anelli backup-in PEEK sono sviluppati appositamente per evitare l'estrusione di O-ring o X-ring sotto alta pressione.

Il vantaggio del PEEK è che estende i limiti di resistenza alla pressione, controllo dello spazio vuoto, capacità di carico e stabilità dimensionale. Ma il PEEK non è un materiale sigillante universalmente applicabile. Non è ideale per applicazioni di conformità a grandi deformazioni o assorbimento di tolleranze e ha un coefficiente di attrito maggiore rispetto al PTFE. Si raccomanda quindi di considerare il PEEK come un materiale strutturale e anti-estrusione ma non come un elemento chiave di tenuta.

4. TPU (unità di elaborazione)
Il poliuretano viene spesso definito TPU nelle applicazioni di tenuta ed è un materiale standard nella tenuta dinamica idraulica. Il TPU Parker è da molto tempo il punto di riferimento nei sistemi di potenza fluida, offrendo eccezionale resistenza all'usura, stabilità termica, resistenza all'idrolisi, prestazioni di compression set e recupero elastico. Covestro nota inoltre la sua grande resistenza all'abrasione, l'ampio range di flessibilità, l'elevata elasticità e la buona resistenza agli oli e ad alcuni solventi.

Ciò colloca il TPU in una posizione intermedia tra gli elastomeri e i tecnopolimeri. Ha un'eccellente elasticità e migliora notevolmente la resistenza all'usura e la resistenza meccanica, soprattutto per le applicazioni idrauliche dinamiche ad alta-pressione. Ma la sua vera forza risiede proprio nella tenuta idraulica dinamica, non nella resistenza chimica universale o nelle condizioni di tenuta statica.

Uno dei malintesi più comuni è pensare al TPU come a un unico materiale omogeneo, poiché la sua resistenza chimica dipende fortemente dalla formulazione, dalla durezza, dalla temperatura, dalla concentrazione e dal periodo di esposizione. Gli acidi e gli alcali forti attaccheranno il TPU, gli idrocarburi aromatici ne causeranno il rigonfiamento, i chetoni e gli esteri causeranno un notevole rigonfiamento e DMF, DMSO, NMP e THF sono solventi per il TPU. La formulazione ha anche un ruolo nella resistenza alla temperatura. I sistemi basati su MDI sono normalmente a 100 gradi mentre i sistemi basati su PPDI sono a circa 135 gradi. Pertanto, PU non è determinata da un confine costante, ma da confini di formulazione dipendenti dal sistema-.

5. Limite ingegneristico tra elastomeri e tecnopolimeri
La barriera sottostante tra i tecnopolimeri e gli elastomeri può essere interpretata in diversi modi. Gli elastomeri sono i principali responsabili della forza di tenuta tramite recupero elastico, mentre i tecnopolimeri come PTFE, UHMWPE e PEEK non si basano sulla deformazione elastica, ma spingono i limiti delle prestazioni con basso attrito, resistenza all'usura, resistenza chimica, resistenza all'estrusione e stabilità dimensionale.

I loro ruoli funzionali sono ben differenziati. Il PTFE si occupa principalmente dei limiti chimici, di temperatura e di attrito. UHMWPE riguarda la resistenza all'usura, la guida, le prestazioni a bassa temperatura e lo scorrimento lento. Il PEEK viene utilizzato per la resistenza al carico, l'anti-estrusione e la stabilità strutturale ad alta pressione. Il PU è ottimizzato per la resistenza all'usura in condizioni idrauliche dinamiche. In pratica le migliori soluzioni di tenuta spesso non sono sistemi sostitutivi ma ibridi. Ad esempio, un O-ring fornisce il precarico e la forza di contatto iniziale, un manicotto in PTFE fornisce un attrito ridotto e una migliore resistenza chimica e un anello di supporto in PEEK o PTFE riempito-inibisce l'estrusione sotto pressione.

L'errore ingegneristico più comune è confrontare i materiali per diversi metodi di tenuta. Il PTFE non è una gomma-di fascia alta, il PEEK non è una plastica universale, l'UHMWPE non è un PTFE economico, il PU non è solo un NBR più duro. Una volta riconosciuta la modalità di guasto dominante, il confine materiale diventa evidente.